บทที่ 2 หน่วยวัดไฟฟ้าและปริมาณไฟฟ้า

1.ทฤษฎีอิเล็กตรอน

 สสารทุกชนิดประกอบขึ้นด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม จุดศูนย์กลางของแต่ละอะตอมเรียกว่า นิวเคลียส ภายในนิวเคลียสจะประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอนรอบๆ นิวเคลียสมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่ โปรตอนมีอำนาจไฟฟ้าบวก อิเล็กตรอนมีอำนาจไฟฟ้าลบ สำหรับนิวตรอนมีอนุภาคที่เป็นกลาง จึงไม่มีความสำคัญที่จะกล่าวถึงต่อไป นิวเคลียสครอบครองเนื้อที่ในอะตอมเพียงส่วนน้อย เนื้อที่ที่เหลือมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่หมุนรอบตัวเองและโคจรไปรอบนิวเคลียส ตามธรรมชาติแล้วจะเกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางซึ่งอิเล็กตรอนน่าจะหลุดออกจากโคจร แต่ที่ไม่หลุดออกไปเพราะมีโปรตอนดึงดูดไว้ แต่เมื่อใดที่มีพลังงานภายนอกที่มากกว่ามากระทำก็จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรได้

   

รูปที่ 1.1 โครงสร้างอะตอมของฮีเลียมและทองแดง

      ในตารางธาตุจะเป็นตัวบอกจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมของธาตุนั้นๆ เช่น ธาตุที่ 2 คือ ฮีเลียมจะมีโปรตอน 2 ตัวและอิเล็กตรอน 2 ตัว ธาตุที่ 29 คือทองแดงจะมีโปรตอน 29 ตัวและอิเล็กตรอน 29 ตัว เป็นต้น ดังแสดงในตารางที่ 1.1

 ตารางที่ 1.1 ตารางธาตุและชั้นวางของวงจรโคจรของอะตอม

 1.1 วงเวเลนซ์และเวเลนซ์อิเล็กตรอน 

 ถ้าพิจารณาจากการบรรจุจำนวนอิเล็กตรอนของธาตุต่างๆ จะพบว่าชั้นนอกสุดว่าธาตุใดๆ จะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 ตัว วงที่อยู่นอกสุดนี้เรียกว่า วงเวเลนซ์ และเล็กตอนที่อยู่ในชั้นนี้เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตอน ดังแดงในรูปที่ 1.2 ซึ่งแสดงเวเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมของทองแดง

 รูปที่ 1.2 แสดงวงเวเลนซ์และเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมทองแดง

        โลหะมีคุณสมบัติตัวนำไฟฟ้าที่ดี กล่าวคือ เมื่อให้พลังงานกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงเล็กน้อย ก็สามารถทำให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรได้ เป็นผลทำให้โลหะสามารถนำไฟฟ้าได้ ในกรณีที่เวเลนซ์อิเล็กตรอนได้รับพลังงานเป็นจำนวนมากแล้วยังไม่สามารถหลุดออกจากวงโคจรได้ คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารชนิดนั้นจะแสดงออกในรูปของฉนวนคือ ไม่นำไฟฟ้าสำหรับสารกึ่งตัวนำนั้นโดยความหมายในตัวมันก็คือ จะนำไฟฟ้าได้ในบางโอกาส และอาจจะเป็นฉนวนได้ในบางโอกาส

         ฉนวน ธาตุใดที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 5 ถึง 8 ตัว จะเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี เพราะพลังงานภายในยากที่จะดึงให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดหลุดออกไปได้ ถ้าจะให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปจริงๆ ก็ต้องเฉลี่ยพลังงานให้อิเล็กตรอนเท่ากัน จึงจะดึงให้หลุดออกไปได้ ดังนั้นจึงต้องใช้แรงดันไฟฟ้ามากๆ จึงจะทำให้ไฟฟ้าไหลผ่านได้ วัตถุนั้นก็จะถูกเรียกว่า ฉนวน

 1.1.1 อิเล็กตรอนอิสระ 

        อิเล็กตรอนส่วนที่วิ่งอยู่ในวงโคจรรอบนอกสุดเรียกได้ว่า เป็นส่วนประกอบของจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในอะตอมนั้นๆ แต่อิเล็กตรอนรอบนอกเหล่านี้จะถูกดูดโดยแรงจากนิวเคลียสแค่เพียงเล็กน้อย มันจึงพยายามที่จะหนีออกจากวงโคจรอยู่ตลอดเวลา โดยผลักดันตัวมันเองไปยังอะตอมอีกตัวหนึ่งที่อยู่ข้างเคียง เช่น ในทองแดง เงิน หรือโลหะอื่นๆ จะมีอิเล็กตรอนซึ่งสามารเคลื่อนที่ออกจากอะตอมได้อย่างอิสระ เราจึงเรียกอิเล็กตรอนนี้ว่า อิเล็กตรอนอิสระ
        ไฟฟ้ามีคุณสมบัติหลายประการ เช่น ประกายไฟฟ้าซึ่งเกิดจากไฟฟ้า ปฏิกิริยาทางความร้อน ปฏิกิริยาทางเคมี หรือปฏิกิริยาทางแม่เหล็ก ซึ่งเกิดขึ้นจากการไหลของกระแสไฟฟ้า สาเหตุเหล่านี้เกิดขึ้นโดยอิเล็กตรอนอิสระทั้งสิ้น
        เมื่ออิเล็กตรอนหลุดออกไปจากวงโคจรก็จะมีที่ว่างเกิดขึ้น เราเรียกที่ว่างที่เกิดขึ้นนี้ว่า โฮล(Hole) ซึ่งแปลว่าหลุดหรือบ่อ บางคนเปรียบเทียบโฮลเหมือนรอยเท้า และอิเล็กตรอนคือเท้า ขณะที่เท้าวิ่งไปข้างหน้า รอยเท้าก็วิ่งไปข้างหลัง คล้ายกับเรานั่งบนรถไฟฟ้า
        ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนวิ่งก็ดูเหมือนว่าโฮลเคลื่อนที่ด้วยเหมือนกัน ทั้งๆ ที่โฮลนั้นอยู่กับที่ การที่อิเล็กตรอนวิ่งเราจึงกำหนดว่า เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลจากขั้วลบไปหาขั้วบอก และการที่กระแสไฟไหลจากขั้วบอกไปหาขั้วลบ ก็สมมติว่าโฮลเป็นตัวเคลื่อนที่ด้วยเหมือนกัน
        โฮล 1 ตัวที่เกิดจากอิเล็กตรอนอิสระหลุดจากวงโคจร 1 ตัว มีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 1.3
\

              รูปที่ 1.3 อิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมหนึ่งเคลื่อนที่ไปยังอีกอะตอมหนึ่ง 


ทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า

 1.2 กระแสไฟฟ้า

 1.2.1 กระแสไฟฟ้าคืออะไร

        เมื่อต่อแบตเตอรี่และหลอดไฟเข้าด้วยกันโดยใช้ลวดทองแดง ดังแสดงในรูปที่ 1.4 หลอดไฟจะส่องแสงออกมา สาเหตุนี้เป็นเพราะเมื่อทำการต่อวงจร อิเล็กตรอนอิสระ (ประจุไฟฟ้าลบ) ภายในลวดทองแดงถูกดึงดูดให้เคลื่อนตัวไปทางด้วยขั้วบอกของแบตเตอรี่ เมื่ออิเล็กตรอนอิสระถูกจ่ายออกจากขั้วลบของแบตเตอรี่ตัวแล้วตัวเล่า มันจะทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนติดต่อกันภายในเส้นลวดทองแดง การไหลของอิเล็กตรอนนี้เรียกว่า กระแสไฟฟ้า หรือเรียกง่ายๆ ว่า กระแส

 รูปที่ 1.4 การไหลของอิเล็กตรอนในลวดทองแดง

 1.2.2 ปริมาณและหน่วยของกระแส 

       ปริมาณการไหลผ่านของกระแสภายในตัวนำนั้น เท่ากับจำนวนของอิเล็กตรอนอิสระไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดของตัวนำต่อวินาที

        ขนาดหรือปริมาณของกระแสนี้วัดในรูปของแอมแปร์ มีสัญลักษณ์คือ A ในขณะที่การแสดงถึงตัวกระแสใช้สัญลักษณ์ I 

        1 แอมแปร์มีค่าเท่ากับอิเล็กตรอนอิสระจำนวน 6.25 x 1018 ตัว เคลื่อนที่ผ่านตัวนำต่อวินาที ดังแสดงในรูปที่ 1.5

 รูปที่ 1.5 กระแส 1 แอมแปร์คือการไหลของอิเล็กตรอนอิสระจำนวน 6.25 x 1018 ตัวต่อวินาที 

 หมายเหตุ :

          1. 1018 เป็นวิธีการง่ายๆ ที่เขียนแทน 1 ตามด้วยศูนย์อีก 18 ตัว หรือ 1,000,000,000,000,000,000 ซึ่งคล้ายกับ 6.25 x 1018 เท่ากับ 6,250,000,000,000,000,000

          2. อิเล็กตรอน 6.25 x 1018 ตัว ถูกเรียกว่า 1 คูลอมบ์ของประจุไฟฟ้า ดังนั้น 1 แอมแปร์จึงหมายถึง 1 คูลอมบ์ต่อวินาที 

          3. ธาตุใดที่จำนวนอิเล็กตรอนมาก และชั้นนอกสุดมีจำนวนอิเล็กตรอน 1 ถึง 2 ตัว ส่วนมากจะเป็นตัวนำไฟฟ้า